ANALISIS PENGONTROL TEGANGAN TIGA FASA TERKENDALI

ANALISIS PENGONTROL TEGANGAN TIGA FASA
TERKENDALI PENUH DENGAN BEBAN RESISTIF INDUKTIF
MENGGUNAKAN PROGRAM PSpice
Heber Charli Wibisono Lumban Batu, Syamsul Amien
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: [email protected], [email protected]
Abstrak
Sumber tegangan tiga fasa banyak digunakan di pabrik-pabrik, salah satunya adalah digunakan untuk
mengoperasikan motor tiga fasa. Salah satu cara untuk mengatur tegangan starting motor tiga fasa adalah dengan
menggunakan rangkaian pengontrol tegangan tiga fasa. Rangkaian pengontrol tegangan tiga fasa ini dapat disusun
dari berbagai peralatan elektronika daya, salah satu jenis pengontrol tegangan tiga fasa yang sering digunakan yaitu
pengontrol tegangan tiga fasa terkendali penuh. Tugas akhir ini dilakukan simulasi menggunakan program PSpice
untuk mengamati cara kerja SCR yang disusun anti pararel dan tegangan keluaran SCR dalam suatu rangkaian
pengontrol tegangan tiga fasa terkendali penuh, dengan beban yang digunakan yaitu resistif (R) dan resistif induktif
(RL). Berdasarkan hasil simulasi diperoleh bentuk gelombang dan besarnya VO rms tegangan keluaran pengontrol
tegangan tiga fasa terkendali penuh. Dari hasil data simulasi dan perhitungan diperoleh, jika besarnya nilai sudut
penyalaan SCR di rubah > 00 maka besarnya nilai VO rms beban R dan RL terhubung bintang < (220 V)
dan besarnya nilai VO rms beban R dan RL terhubung delta < (207,8 V). Besarnya VO rms beban R dan
RL baik terhubung bintang maupun delta juga dipengaruhi oleh tegangan masukan, sudut β, dan impedansi
beban.
Kata Kunci: Pengontrol, SCR, PSpice, Beban RL
1.
Tujuan dari penulisan ini adalah untuk
Menganalisa tegangan output, pengaruh
perubahan sudut penyalaan SCR, dan perubahan
impedansi beban dari pengontrol tegangan tiga
fasa terkendali penuh dengan beban resistif dan
resistif induktif
Pendahuluan
Sumber tegangan tiga fasa banyak
digunakan di pabrik-pabrik, salah satunya adalah
digunakan pada pengaturan starting motor tiga
fasa. Salah satu cara untuk mengatur tegangan
starting motor tiga fasa adalah dengan
menggunakan rangkaian pengontrol tegangan
tiga fasa. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa ini dapat disusun dari berbagai peralatan
elektronika daya. Pada tugas akhir ini penulis
akan membahas salah satu jenis pengontrol
tegangan tiga fasa yang sering digunakan yaitu
pengontrol tegangan tiga fasa terkendali penuh.
Rangkaian pengontrol tegangan tiga fasa
terkendali penuh ini menggunakan enam buah
SCR yang disusun anti pararel. Beban yang
digunakan dalam simulasi ini adalah beban
resistif dan resistif induktif. Simulasi pada tugas
akhir ini menggunakan program PSpice, hasil
simulasi ini berupa bentuk gelombang tegangan
output dari rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa terkendali penuh.
2. Pengontrol Tegangan Tiga Fasa
Diagram rangkaian pengontrol tegangan
tiga fasa terhubung delta dengan beban reisistif
(R) dan resistif induktif (RL) ditunjukkan pada
Gambar 1. dan Gambar 2. Urutan firing dari
SCR adalah T1 ,T2,T3,T4,T5,T6.
IL
A
VAN
T6
VBN
VCN
B
R3
T4
-
-
T5
T2
T1
-
C+
R1
VL
+
+
R2
T3
Gambar 1. Pengontrol tegangan tiga fasa beban
R terhubung delta [1]
-70-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 2/Agustus 2013
Untuk beban resistif, tegangan fasa keluaran rms
dapat ditentukan dari [1]:
(
∫
VO =
= √3V −
)
⁄
⁄
+
VAN
(1)
− +
VO=√6
⁄
√
+
(6)
⁄
√
(7)
R1
T5
VL
+
L1
T1
T2
T1
-
IL
L3
T4
VCN
C+
B
R3
T6
VBN
Ia
R1
VL
VAN
Van
-
+
Ib
-
T3
-
VCN
T6
B +
( −
+
Gambar 4. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa beban RL terhubung bintang [1]
Tegangan keluaran rms untuk beban RL
terhubung Bintang dapat ditentukan sebagai
berikut [1]:
[2]
⁄
−
c
Ic
T2
⁄
= √3
L3
b
T5
Tegangan keluaran rms untuk beban RL
terhubung delta dapat ditentukan sebagai
Berikut [1]:
)
R3
L2
Gambar 2. Pengontrol tegangan tiga fasa beban
RL terhubung delta [1]
(
R2
VBN
C+
∫
L1
T3
N
R2
L2
a
T4
A
+
-
-
VO =
(5)
+
+
VO = √6
Untuk sudut 90 ≤ α ≤ 150
IL
A
⁄
− +
= √6
Untuk sudut 60 ≤ α ≤ 90
(2)
Untuk 0 ≤ α ≤ 90
Sudut
dapat ditentukan dari persamaan
berikut[2]:
θ = tan-1 (ωL/R)
(3)
)
(4)
sin( − ) = sin( − ) ( ⁄ )(
VO = ⁄
Ia
T3
N
T6
R2
-
VCN
b +
VBN
+
R1
n
-
-
Ib
-
C
V an
B
R3
+ c
Vcn
Van
n
R2
Vcn
Vbn
L2
Ic
)
R3
Van
Ia
L3
Ib
Ib
(a)
Tegangan keluaran rms untuk beban R yang
terhubung Bintang dapat ditentukan sebagai
berikut [1]:
Untuk 0 ≤ α ≤ 60
Ic
L1
n
(
(9)
R1
Gambar 3. Pengontrol tegangan tiga fasa beban
R terhubung bintang [1]
∫
⁄
√
Ia
Ic
T2
VO = +
T5
+
(8)
Hampir semua listrik yang digunakan oleh
industri, dibangkitkan, ditransmisikan, dan di
distribusikan dalam sistem tiga fasa. Sistem tiga
fasa ini memiliki besar yang sama untuk arus
dan tegangan tetapi mempunyai perbedaan
sudut sebesar 120 antar fasanya. Sumbu ini
disebut juga sumbu yang seimbang.
+
VL
VAN
− +
VO= √6
a
T4
Untuk sudut 90 ≤ α ≤ 150
T1
IL
⁄
)
− +
= √6
Diagram rangkaian pengontrol tegangan
tiga fasa terhubung bintang dengan beban
reisistif (R) dan resistif induktif (RL)
ditunjukkan pada Gambar 3. dan Gambar 4.
Urutan firing dari SCR adalah T1,T2,T3,T4,T5,T6.
A
+
(
∫ 2
Vbn
(b)
Gambar 5. (a) Rangkaian sistem tiga fasa urutan
abc.
(b) Diagram fasor sebuah sistem
seimbang [3]
⁄
-71-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 2/Agustus 2013
Sistem pada Gambar 5b disebut sistem urutan
abc, di mana fasa b tertinggal 120 terhadap
fasa a, dan fasa c tertinggal 120 terhadap fasa
b. Hanya satu kemungkinan urutan lagi selain
urutan abc, yaitu urutan acb. Beban pada gambar
5a dihubungkan dengan cara hubungan bintang.
Dalam hubungan tipe bintang ini tegangannya
adalah tegangan fasa netral dan arus yang
mengalir pada tiap fasa beban adalah arus fasa
saluran. Daya yang digunakan pada masingmasing fasa pada beban adalah [3]:
| IL cos
(10)
P1Φ = |
untuk sistem yang seimbang, daya totalnya
adalah [3]:
| IL cos
PT = P3Φ = 3 |
=3
IL cos
Gambar 7. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa beban R terhubung delta
√
= √3 VL-L ILcos
3.
(11)
Simulasi Pengontrol Tegangan Tiga
Fasa Terkendali Penuh
Langkah - langkah pemograman dari
simulasi penyearah jembatan terkontrol penuh
dengan menggunakan program PSpice yang
pertama adalah menentukan bentuk rangkaian
penyearah jembatan terkontrol penuh dan
menentukan node titik pada tiap komponen yang
menyusunnya, kedua membuat listing program
dengan memperhatikan gambar rangkaian yang
dilengkapi dengan node yang telah dibuat pada
algoritma, ketiga run simulasi gambar tegangan
keluaran.
Gambar 8. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa beban RL terhubung delta
Gambar 9. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa beban R terhubung bintang
Gambar 10. Rangkaian pengontrol tegangan tiga
fasa beban RL terhubung bintang
Gambar 6. Diagram alir simulasi tegangan
keluaran pengontrol tegangan tiga
fasa terkendali penuh
-72-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
4.
VOL. 3 NO. 2/Agustus 2013
Analisa dan Pembahasan
VL-L
300
200
Analisa dan pembahasan pengontrol
tegangan tiga fasa beban R dan RL terhubung
delta
Tegangan Masukan (VS)
Frekuensi
Sudut Picu ( )
Beban R1,R2,R3
Beban L1 ,L2,L3
Volt
100
0
-100
-200
= 120 V
= 50 Hz
= 600
= 2.5 ohm
= 6.5 mH
-300
s
0,01
0,02
Time
0,03
0,04
Gambar 12. Bentuk gelombang tegangan sumber
VL-L dan beban RL terhubung
delta
VL-L
Analisa gelombang tegangan keluaran rangkaian
beban RL terhubung delta:
300
200
Volt
100
0
Pada Gambar 12 SCR1 di triger pada sudut
600 arus mengalir dari VA melalui R 1, SCR1,
menuju VB. SCR2 di triger pada sudut 1200 arus
mengalir dari VA melalui SCR2, R3, menuju VC.
SCR3 di triger pada sudut 1800 arus mengalir
dari VB melalui R2, SCR3, menuju VC. SCR4 di
triger pada sudut 2400 arus mengalir dari V2 ,
melalui SCR4, menuju VA. SCR5 di triger pada
sudut 3000 arus mengalir dari VC melalui R3 ,
SCR5, menuju VA. SCR6 di triger pada sudut
3600 arus mengalir dari VC melalui SCR6, R2,
menuju VB. Kemudian siklus berulang kembali
dari SCR1. Karena pengaruh induktansi pada
rangkaian arus SCR1, SCR2, SCR3, SCR4, SCR5,
SCR6 tidak akan jatuh menuju nol pada ωt =
1800, ketika tegangan masukan mulai menjadi
negatif. SCR1, SCR2, SCR3, SCR4, SCR5, SCR6
akan terus terhubung sampai arus jatuh menjadi
nol pada ωt = β.
-100
-200
-300
0,01
0,02
Time
0,03
s
0,04
Gambar 11. Bentuk gelombang tegangan sumber
VL-L dan beban R terhubung
delta
Analisa gelombang tegangan keluaran rangkaian
beban R terhubung delta:
Pada Gambar 11 SCR1 di triger pada sudut
600 arus mengalir dari VA melalui R 1, SCR1,
menuju VB. SCR2 di triger pada sudut 1200 arus
mengalir dari VA melalui SCR2 , R3, menuju VC.
SCR3 di triger pada sudut 1800 arus mengalir
dari VB melalui R2, SCR3, menuju VC. SCR4 di
triger pada sudut 2400 arus mengalir dari V2 ,
melalui SCR4, menuju VA. SCR5 di triger pada
sudut 3000 arus mengalir dari VC melalui R3,
SCR5, menuju VA. SCR6 di triger pada sudut
3600 arus mengalir dari VC melalui SCR6, R2,
menuju VB. Kemudian siklus berulang kembali
dari SCR1.
Perhitungan untuk tegangan rms beban R
terhubung delta:
VO =
−
+
Perhitungan untuk tegangan rms beban RL
terhubung delta:
Sin (β – θ) = sin (α – θ)
β = 218,5350
(
)
⁄
VO =√3
−
= 193,261 V
⁄
= 169 V
+
−
Analisa dan pembahasan pengontrol
tegangan tiga fasa beban R dan RL terhubung
bintang
Tegangan Masukan (VS)
Frekuensi
Sudut Picu ( )
Beban R1,R2,R3
Beban L1 ,L2,L3
-73-
= 220 V
= 50 Hz
= 600
= 2,5 ohm
= 6.5 mH
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 2/Agustus 2013
Analisa gelombang tegangan keluaran rangkaian
beban RL terhubung bintang:
VL-N
Volt
Pada Gambar 14 dapat dilihat SCR1 di triger
pada sudut 600 dan SCR6 masih konduksi
kemudian arus mengalir dari VA melalui SCR1,
beban R1, beban R3, SCR6 menuju VB, SCR1
masih konduksi dan SCR2 di triger pada sudut
1200 kemudian arus mengalir dari VA melalui
SCR1, beban R1, beban R2 menuju VC. Karena
pengaruh induktansi pada rangkaian arus SCR1
dan SCR2, tidak akan jatuh menuju nol pada ωt
= 1800, ketika tegangan masukan mulai menjadi
negatif. SCR1 dan SCR2 akan terus terhubung
sampai arus jatuh menjadi nol pada ωt = β.
s
Time
Gambar 13. Bentuk gelombang tegangan sumber
VL-N dan beban R terhubung
Bintang
Analisa gelombang tegangan keluaran rangkaian
beban R terhubung bintang:
Pada Gambar 13 dapat dilihat SCR1 di
triger pada sudut 600 dan SCR6 masih konduksi
kemudian arus mengalir dari VA melalui SCR1,
beban R1, beban R3, SCR6 menuju VB, SCR1
masih konduksi dan SCR2 di triger pada sudut
1200 kemudian arus mengalir dari VA melalui
SCR1, beban R1, beban R2 menuju VC. SCR3 di
triger pada sudut 1800 dan SCR2 masih konduksi
sehingga arus mengalir dari VB melalui SCR3,
beban R2, beban R3 menuju VC, SCR3 masih
bekerja dan SCR4 di triger pada sudut 2400
sehingga arus mengalir dari VB melalui SCR3,
beban R2, beban R1, menuju VA. SCR5 di triger
pada sudut 3000 dan SCR4 masih konduksi
sehingga arus mengalir dari VC melalui beban
R3, beban R1, menuju VA, SCR6 di triger pada
sudut 3600 dan SCR5 masih konduksi sehingga
arus mengalir dari VC melalui beban R3, beban
R2, menuju VB. Siklus berulang kembali.
Perhitungan untuk mencari sudut β:
Sin (β – θ) = sin (α – θ)
β = 218,5350
(
)
Perhitungan untuk tegangan rms beban RL
terhubung bintang:
VO = √6
− +
⁄
= 167 V
Perhitungan untuk tegangan rms beban R
terhubung bintang:
+
VO = √6
+
⁄
√
Ket: hubungan bintang VS = 220V, hubungan
Delta V S = 120V, R = 2,5Ω, L =6,5mH
= 156,2V
Gambar 15. Kurva besarnya tegangan keluaran
dari berbagai variasi sudut
penyalaan SCR hasil simulasi
PSpice
VL-N
400
Volt
200
0
Pada Gambar 15 dapat dilihat besarnya nilai
VO rms beban R terhubung bintang maupun
terhubung delta berbanding terbalik dengan
sudut penyalaan SCR, jika besarnya nilai sudut
penyalaan SCR di rubah > 00 maka besarnya
nilai VO rms beban R terhubung bintang maupun
terhubung delta akan semakin kecil dari nilai
tegangan masukan. Besarnya nilai VO rms beban
RL terhubung bintang untuk sudut penyalaan
-200
-400
0,01
0,02
Time
0,03
s
0,04
Gambar 14. Bentuk gelombang tegangan sumber
VL-N dan beban RL terhubung
bintang
-74-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 3 NO. 2/Agustus 2013
SCR 100 = 220V nilai yang sama dengan
tegangan masukan, setelah sudut penyalaan SCR
> 100 maka besarnya VO rms beban RL
terhubung bintang < 220V. Begitu juga besarnya
nilai VO rms beban RL terhubung delta untuk
sudut penyalaan SCR 100 sampai 300 = 207,8V
nilai yang sama dengan tegangan masukan,
setelah sudut penyalaan SCR > 300 maka
besarnya VO rms beban RL terhubung delta <
207,8V.
4.
tegangan tiga fasa akan semakin besar
mendekati nilai tegangan sumber.
Perubahan
sudut
penyalaan
akan
mempengaruhi tegangan keluaran dari
SCR, semakin besar sudut penyalaan maka
akan semakin kecil tegangan keluaran SCR.
6. Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada
J. Lumban Batu dan L. br Sinambela selaku
orang tua penulis, Ir. Syamsul Amien, M.Si
selaku dosen pembimbing, juga Yulianta
Siregar, S.T.,M.T, dan Ir. Riswan Dinzi, M.T
selaku dosen penguji penulis yang sudah
membantu penulis dalam menyelesaikan paper
ini, serta teman-teman penulis yang sudah
memberikan dukungan selama pembuatan paper
ini.
7. Daftar Pustaka
[1]. Rashid, Muhammad H., Power Electronic
Circuit, Device and Aplication Second
Edition, Prentice-Hall International Inc,
1993.
[2]. Rashid, Muhammad H., Power Electronic
handbook, academic press, 1993.
[3]. Stevenson, William D. & Grainger, John J.,
“Power System Analysis”, Mc Graw Hill
Inc, 1994. [2]. Rashid, Muhammad H.,
Power Electronics Handbook, Academic
Press, 2001.
Ket: hubungan Bintang VS = 220V, hubungan
delta VS = 120V, R=2,5 Ω
Gambar 16. Kurva besarnya tegangan keluaran
dari berbagai variasi besarnya beban
L dengan sudut penyalaan 400 hasil
simulasi PSpice
Pada Gambar 16 dapat dilihat besarnya nilai
VO rms beban RL terhubung bintang maupun
terhubung delta berbanding lurus dengan
besarnya nilai induktansi, semakin besar nilai
induktansi maka besarnya nilai VO rms beban
RL terhubung bintang maupun terhubung delta
akan semakin besar juga mendekati nilai
tegangan masukan.
5. Kesimpulan
Setelah
melakukan
simulasi
dan
perhitungan, maka penulis dapat mengambil
kesimpulan sebagai berikut:
1. Bentuk gelombang tegangan keluaran dari
pengontrol tegangan tiga fasa terkendali
penuh dipengaruhi oleh besarnya tegangan
masukan, sudut penyalaan SCR, dan
impedansi beban.
2. Pada beban RL, pengontrolan efektif dapat
dilakukan pada sudut penyalaan > β.
3. Semakin besar nilai L pada rangkaian
beban RL untuk sudut penyalaan tertentu,
maka tegangan keluaran pengontrol
-75-
copyright @ DTE FT USU